基于ZigBee通信的智能家居设计.docx

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基于ZigBee通信的智能家居设计

基于ZigBee通信的智能家居设计

许超P7*******

（安徽大学物联网工程）

摘要：

随着无线传感网技术的不断成熟，人们愈发感受到它的优越性，同时也对它提出了更高的要求。

由于ZigBee技术的独特优势，目前应用已越来越广泛。

本文介绍以CC2430芯片为基础构建无线传感器节点并应用于对通信要求速率并不高的智能家居系统。

以家庭为单位组建无线传感网，实现智能化控制和人性化服务。

关键词：

ZigBeeCC2430WSN传感器节点智能家居

0.引言

无线传感网作为一种短距离无线通信网络，对网络节点有特殊的要求。

传感器节点一般都有存储能力有限、电源供能有限、通信能力有限的特点。

ZigBee技术基于802.15.4无线通信标准，结构简单、传输速率较慢、功率及费用也较低、且网络容量大，相对于蓝牙等其他短距离传输技术有较大的优势。

用ZigBee技术组建无线传感网将具有较大的发展前景。

智能家居是近些年比较热门的话题，其基本功能就是通过无线传感器节点采集家庭环境的数据，如采光量、温度、电器状态等，通过传感器节点的初步处理并通过无线通信发送到中央处理器，经过数据分析将结果通过GPRS模块发送给手机或其他移动终端，使用户能时时控制家庭环境，享受人性化服务。

而采用ZigBee技术则更具有可实现性。

1.ZigBee技术介绍

ZigBee是由ZigBee联盟推出的以802.15.4为底层协议的短距离无线通信，是一种低复杂度、低功耗、低数据传输、低成本、近距离的双向无线通信技术，适用于低速率传输、数据流量较小的应用场合。

1.1ZigBee技术优势

ZigBee网络容量大，网络节点可达65535个，具有强大的组组网功能，而且ZigBee耗能极低，电池使用寿命更长。

表1为无线网络标准的比较。

表1无线网络标准的比较

GSM、CDMA

Wi-Fi

蓝牙

ZigBee

应用

声音、数据

Web、Email、图像

电缆替代品

检测和监控

系统资源

16MB+

1MB+

250KB+

4KB~32KB

电池寿命

1~7

0.5~5

1~7

100~1000

网络大小

1

32

7

255/65000

带宽（KB/S）

64~128+

11000+

720

20~250

传输距离

1000+

1~100

1~10+

1~100+

优势

覆盖范围、质量

速度、灵活性

便携

可靠、功耗、价格

1.2ZigBee协议栈

ZigBee标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据速率网络中的互操作性。

ZigBee协议栈IEEE802.15.4标准的基础之上。

802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准。

MAC层和PHY层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通信标准。

而ZigBee协议栈定义了网络层，应用层和安全服务层的标准，如图1所示。

图1ZigBee协议栈示意图

1.3ZigBee设备

所有的ZigBee网络节点都属于以下三种类型的一种[1]：

（1）Co-ordinator（协调节点）：

ZigBee网络只有一个Co-ordinator节点，在系统初始化起重要作用。

如选择网络的频率通道、开始运行、将其他节点加入网络等等。

（2）Router（路由节点）：

在树形或星形网络拓扑中用到。

用于节点之间转发信息，允许子节点通过他加入网络。

（3）EndDevice（终端节点）：

节点的主要任务为发送和接受消息。

通常应用电池供电，所以在不工作的时候处于休眠状态以延长使用寿命。

1.4ZigBee节点网络拓扑

ZigBee网络可以实现星形、树形和网状三种网络拓扑形式。

不同的网络拓扑结构对应不同的应用场合，开发者事先要充分了解网络的功能和需求，根据实际和客户需求选择合适的网络拓扑。

正确的网络拓扑可以使得资源得到正确的利用而且使得网络预期功能得到实现。

下面逐一介绍各种网络拓扑的结构和功能以及应用场合。

星形网络拓扑结构包含协调节点和一系列终端节点。

如图2所示。

星形拓扑网络由于单路径传输的特点，应用于网络节点少，通信要求不高的场合。

其优点是布置比较简单，故障排查也容易。

缺点是数据传输通道只有唯一的一条路径，致使协调节点可能成为整个网络的瓶颈。

图2星形组网

树形拓扑的结构图如图3。

其通信规则为每一个节点都只能和他的父节点或子节点通信；节点和节点通信需要沿着树的路径向上传递最近的祖先节点，再向下传递到目标节点。

其缺点是信息只有唯一的一条路由通道。

适用于中规模的应用。

图3树形组网

网状拓扑如图4所示。

网状拓扑有更加灵活的信息路由规则，节点之间可以直接通信，使通信更有效率。

这意味着一旦一条路由路径出现了问题，信息可以沿着其他路由路径进行信息传输。

通常网络层会提供路由探索功能，可以使得网络找到最短路径。

图4网状组网

2.CC2430简介

CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。

这是世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBeeTM协议栈，并都集成在一个硅片内。

2.1CC2430芯片介绍：

CC2430采用增强型8051MCU，32/64/128闪存，8KBSRAM等高性能模块，并内置了ZigBee协议栈。

单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。

它使用一个8位的MCU（8051），包含数模转换、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、休眠式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程IO口。

CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产，工作时电流损耗为27mA。

芯片引脚示意图如图5所示。

图5CC2430引脚示意图

2.2CC2430芯片特性

●高性能和低功耗的8051微控制器核；

●集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机；

●优良的无线接收灵敏度和强大的抗扰性；

●在休眠模式时仅有0.9uA的耗能，外部中断或RTC能唤醒系统，在待机模式时少于0.6uA的流耗，外部中断能唤醒系统；

●硬件支持CSMA/CA功能；

●较宽的电压范围（2.0~3.6V）；

●数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能

●具有电池检测和温度感应功能；

●集成了14位模数转换的ADC；

●集成AES安全协处理器；

●带有2个强大的支持机组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，一个常规的16位计时器和2个8位定时器；

●强大灵活的开发工具[2]；

3.IAR7.2H开发环境介绍

3.1软件安装

首先要安装CC2430的开发环境IAR7.2H，在安装开发环境的时候要注意：

为了正常安装软件，必须使用keygen.exe程序

这时主要用到License+Key，在HardwareID的时候注意要把小写字母改成大写，比如0x28c9e改成0x28C9E，如果是数字就不用改了，然后Generate一下，就可以用了。

这样就可以安装EW8051-EV-720H.EXE程序了，License用上就可以完成安装。

把开发环境就安装好了。

然后根据ChipconIARIDEusermanual_1_22.pdf说明对CC2430编程操作[3]。

3.2Zigbee精简协议

打开ZigBee精简协议（msstatePAN.zip）里面的程\msstatePAN\obj\compiletest\iar51_cc2430\compiletest.eww，应用实例compiletest.eww打开后有三种器件的选择：

一种是协调器（COORD）、一种是路由器（ROUTER）、另外一种是（RFD），分别用IAR7.2H直接对它们编译和程序下载。

对于ZigBee精简协议的研究必须仔细阅读协议说明msstate_lrwpan_doc_release.pdf，该文挡详细介绍了ZigBee精简协议。

3.3软件设置及程序下载

打开IAREmbeddedWorkbenchforMCS-51，按Alt+F7打开项目工程的选项（也可以通过右击工程名选择打开，或者选择Project中的Options来打开）；选择Options中的Linker选项，在Format栏选中DebuginformationforC-SPY。

选择Debugger选项中的Setup项；在Driver选项中的下拉框中选择Chipcon，而非Simulator；从而完成编译环境的设置，你现在就可以使用编程器进行在线下载程序或者在线仿真调试了。

4.传感器节点的设计

4.1传感器节点组成模块

我们知道，无线传感网的传感器节点一般由电源模块，处理器模块，通信模块，传感器模块构成，各种器件的连接要符合他们的电气连接特性，充分利用资源，不产生冗余设备。

他们之间的结构关系示意图如图6所示。

图6传感器节点组成部分

在WSN中，节点能量有限且一般没有能量补充，所以在硬件选择时尽量选择功耗小的设备，在这里选择CC2430芯片作为传感器节点的处理器，外围电路包括晶振、复位电路在内的最小系统和射频收发电路。

由于设计的是智能家居，组网规模较小，而且对传输速率的要求也不高，所以采用星形组网的方式，这需要设计协调节点和终端节点。

4.2CC2430核心外围电路的实现

终端节点一般用于数据的采集和发送，其功能依赖于具体的应用环境。

CC2430核心外围一般电路组成部分一般不会改变，如图7所示。

图7外围电路组成部分

用AltiumDesigner软件画出的CC2430外围电路原理图，如图8所示。

CC2430芯片本身高度集成化的特性，只需少量的外围器件与之结合，便可组成一个信号收发系统电路。

若使用一个非平衡天线，并且连接非平衡变压器可使天线的性能更好。

如图电路中的非平衡变压器由电容C4和电感L1，L2，L3以及一个微波传输线构成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻的要求"内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。

图8CC2430外围电路原理图

电路最终的实现需要画pcb版图，这需要具体的参数，由于时间关系这里就不设计了。

其中以天线部分的设计最为复杂，需要考虑阻抗增益等，需要具体的计算。

天线的设计可以使用软件ADS进行仿真，用smith圆图来解决匹配问题，再对一些设计做一些参数优化，最终实现对天线的设计。

CC2430外围电路的设计是一个节点电路设计的主要部分。

在最核心的电路设计好之后，对于具体的应用只需加入对应的传感器模块或其他需要的模块即可实现节点的设计。

下载电路的设计可以使用RS232通信，即纠正串口通信。

或者使用不占体积的USB下载电路。

这里推荐使用USB下载电路，不仅电路连接简单，而且美观，不占体积。

只需加入一个CH480芯片，价格也低廉。

4.3协调节点

ZigBee协调器在网络中的主要任务包括网络建立、数据收发和串口通信。

图9所示是协调器的工作流程图。

协调节点主要功能是接受终端节点数据，并给终端节点发送指令同时也接收用户端的控制信息。

在系统初始化时发挥着重要的作用。

在一个网络中，终端节点只有一个，终端节点电路的设计在核心的CC2430电路之外，还应该加入与用户端的接口电路等。

协调节点软件的设计很重要，需要符合一定的路由协议，并且能够顺利组网。

协调节点是一个网络数据交汇的核心，也是数据处理判断并提供给用户端服务的一个重要途径，所以在设计上要着重注意。

图9协调节点的工作流程图

4.4终端节点的实现

根据功能可将终端节点分为三类：

一类是与环境感知类传感器相连，采集环境数据，并定时发送给协调器；一类是与安防监测节点相连，当监测到报警，就向协调器发送警报信息；还有一类是与控制设备相连，通过接收协调器的控制命令，实现对所连设备的控制。

下面以温湿度采集节点和光照采集节点为例实现终端节点。

4.4.1温湿度检测节点

温湿度传感器选择SHT11。

选择这个传感器的原因是改传感器功耗小，精度高。

C2430与温湿度传感器SHT11连接原理图如图9所示。

图10CC2430与温湿度传感器SHT11电路连接示意图

其中P1.1、P1.2和P1.3为CC2430的I/O端口。

SHT11采用两条串行线和处理器进行数据通信，时钟线SCK负责处理器和

SHT11通信同步，DATA三态门用于数据的读取。

由于DATA是双向串行通信线，处理器在工作状态下需循环切换处理器I/O口的输入输出状态，为了避免频繁切换I/O口的输入输出状态使CC2430的P1.1为DATA的输入口，P1.2为输出口，并在DATA端接入一只10KΩ的上拉电阻，同时，在VDD及GND端接入一只100nF的去耦电容。

4.4.2光照采集节点

光照采集节点的作用是采集室内和室外的光照强度及时告知主人，以方便安排行程。

光照采集节点选用的是基于BH1750芯片的光照度测量模块。

BH1750是一款具有优良光谱灵敏度特性的照度传感器。

BH1750为16bit串行数字输出的传感器，内置了16位的模数转换器，通过计算电压可以获得准确的光照强度数据，不需要太复杂的计算。

BH1750在空闲模式的电流最大仅为1μA，非常适合低功耗的应用。

如图11所示。

图11光照采集节点电路连接图

6.系统的建立

一个基于ZigBee技术的智能家居系统应包括下面几个部分：

（1）网络协调器：

主要负责建立和管理网络，接收从终端节点获取的数据或向终端节点发送控制命令，以及与智能网关或上位机通信获取网关或上位机发送的控制命令或上传终端节点采集到的数据。

（2）信息采集节点：

网络终端节点分为采集节点和控制节点两种，采集节点负责采集各种传感器或门磁等装置的状态变化信息。

（3）协调节点：

控制节点通过执行接收网络协调器发送来的命令实现对所连接的家居设备的控制。

（4）路由节点：

路由节点负责扩展网络覆盖范围及数据转发功能，可使更多的设备加入网络。

（5）PC机：

PC机可以显示网络协调器接收到的信息或向网络协调器或远程发送控制命令。

（6）智能网关：

智能网关除实现上位机功能外，还可以接入短信模块，实现ZigBee网络与广域的无线网的融合，用户可以通过手持终端接收信息或发送控制命令。

智能家居无线传感网系统示意图如图12所示。

由前面介绍可知ZigBee定义了三种网络：

星形结构，树形结构，和网状结构。

其中树形结构和网状结构都是属于点对点的拓扑结构，它们是点对点拓扑结构的复杂化形式。

星型网络相对简单，便于管理，建网容易，适合家庭智能化网络设计等小范围的室内应用星型网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。

选取传感网系统以星形组网方式建立网络。

包括家电控制子网，安防传感子网，数据采集子网，以及远程控制终端。

对于不同的应用需要采用不同的组网，对于智能家居系统，子网的划分基于功能的划分，实现用户的要求。

图12智能家居网络拓扑图

对于软件的形成需要使用IAR开发环境，由于CC2430芯片是51芯片的拓展，指令基本兼容，其开发环境类似于keil。

由于时间仓促，本文对软件的开发暂不叙述。

对软件的设计主要注意的问题是要充分利用ZigBee的协议栈，使代码简洁明了。

一个网络的建立涉及到方方面面，这里只是简单的概括一下。

期间考虑到各种路由协议的选取，算法的设计，还有网络安全性的考虑等等。

这需要不断地学习和研究才能完整地做出一个网络系统。

7.结束语

无线传感网是一种应用性较强的网络，应对与不同的应用需要设计不同的方案。

在设计一个无线传感网时，首先要清楚需要这个网络完成那些功能，然后再根据客户要求和具体实际采用合适的器件完成组网。

组网时要考虑的有网络的拓扑结构、吞吐量等等，视具体情况而定。

具体设计涉及到硬件和软件的开发，需要考虑到无线传感节点的特性，选择最适合的方法。

本文以智能家居为例展示了基于ZigBee技术的无线传感网的设计，由于对开发软件IAR还不是很熟悉，所以介绍较少。

智能家居以ZigBee技术通信有着较好的前景，这取决于智能家居的特殊性，通信速率要求不高，节点较多等，相比于蓝牙红外，ZigBee有着很大优势。

智能家居是物联网研究发现的一个热点，还有许多技术问题需要克服，ZigBee技术的使用将会使智能家居更具有实现的可能性。

这需要付出更多的努力。

本文基于自己对无线传感网的认识使用ZigBee技术对智能家居的开发过程做了简略的叙述，还有很多问题没有解决，这需要今后不断地研究才能完善这一系统。

参考文献

[1]余成波,李洪兵,陶红艳.无线传感网络实用教程[M].北京：

清华大学出版社，2012.4

[2]徐小涛,吴延林.无线个域网（WPAN）技术及其与应用[M].北京:

人民邮电出版社,2009.

[3]无线龙.ZigBee无线网络原理.北京:

冶金工业出版社[M],2011.